JPH022306B2 - - Google Patents

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JPH022306B2
JPH022306B2 JP61196292A JP19629286A JPH022306B2 JP H022306 B2 JPH022306 B2 JP H022306B2 JP 61196292 A JP61196292 A JP 61196292A JP 19629286 A JP19629286 A JP 19629286A JP H022306 B2 JPH022306 B2 JP H022306B2
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JP
Japan
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region
gate
anode
cathode
nax
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Junichi Nishizawa
Tadahiro Oomi
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、阻止電圧が高く、順方向電圧降下が
低くて、かつスイツチング速度の速い静電誘導サ
イリスタに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Technical Field of the Invention] The present invention relates to a static induction thyristor that has a high blocking voltage, a low forward voltage drop, and a high switching speed.

〔従来技術〕[Prior art]

基本的にはpnpn四層構造で構成される従来の
サイリスタは、ゲート電極によるスイツチオフが
難しく、しかもたとえゲートによる遮断ができて
もその速度が極めて遅いという欠点を有してい
た。これに対し、ゲートを有するダイオード構造
に構成された静電誘導サイリスタ(以下SIサイリ
スタと称す。)は、ゲートによる遮断が極めて容
易で、しかもその遮断時間が速いという特長を備
えている。SIサイリスタの代表的構造例とその動
作原理を説明する図面を第1図に示す。第1図a
は、SIサイリスタの表面ゲート構造の代表例の断
面図である。
Conventional thyristors, which basically consist of a pnpn four-layer structure, have the disadvantage that it is difficult to switch off using a gate electrode, and even if it is possible to switch off using a gate, the speed is extremely slow. On the other hand, an electrostatic induction thyristor (hereinafter referred to as an SI thyristor) having a diode structure with a gate has the advantage that it is extremely easy to shut off with the gate and that the shutoff time is quick. FIG. 1 shows a typical structural example of an SI thyristor and a drawing explaining its operating principle. Figure 1a
is a cross-sectional view of a typical example of a surface gate structure of an SI thyristor.

第1図bは、ゲート・ゲート間のチヤンネル断
面の遮断時のポテンシヤル分布、第1図c及びd
は、カソード・アノード間の遮断時のポテンシヤ
ル分布、第1図e及びfは、ゲート・アノード間
の遮断時のポテンシヤル分布である。
Figure 1b shows the potential distribution when the cross section of the channel between gates is cut off, Figure 1c and d
is the potential distribution when the cathode and the anode are cut off, and FIG. 1 e and f are the potential distribution when the gate and the anode are cut off.

第1図aで、p+領域11及び14はアノード
領域、ゲート領域であり、n+領域13はカソー
ド領域、n-領域12はチヤンネルを構成する領
域である。11′,13′,14′はAl、Mo、W、
Au等あるいはその他の金属、もしくは低抵抗ポ
リシリコンあるいはこれらの複層構造から成るア
ノード電極、カソード電極、ゲート電極である。
16はSiO2、Si3N4、Al2O3、AlN等あるいはそ
の他の絶縁層、もしくはこれらの複合絶縁層もし
くは複層絶縁層である。アノードに所定の正電圧
が加わつた状態でも電流の流れない遮断状態が実
現される理由を第1図b乃至fのポテンシヤル分
布を用いて説明する。第1図bは、ゲートに所定
の逆バイアス(Vg=0も含めて)が加わつた状
態でのチヤンネル断面方向のポテンシヤル分布を
示す。これ以後のポテンシヤル分布はすべて電子
に対して示しており、ポテンシヤルの低い所程電
子は到達し易い。従つて、正電荷を持つホールは
全く逆でポテンシヤルの高い所に程到達し易い。
第1図でポテンシヤル0とあるのが、カソードの
ポテンシヤルを示している。b図中のVbiはゲー
ト・チヤンネル間の拡散電位である。チヤンネル
中央のポテンシヤルVg *が電子の有する熱エネル
ギーKT(K:ボルツマン定数、T:温度)より
充分大きければ、カソードからこの障壁を越えて
アノード側に注入される電子は殆んど存在しな
い。第1図c及びdは、チヤンネル中央のカソー
ドからアノードまでのポテンシヤル分布を示して
いる。dでのアノード電圧Vaは、c図の場合よ
り大きくなつている。アノード側に示されている
Vbiはアノード・チヤンネル間の拡散電位である。
カソード側からの電子注入は、カソード前面に生
ずるポテンシヤル最大になる点即ち、固有ゲート
のポテンシヤル障壁−Vg *により抑止されてい
る。一方、アノード側は、n-領域12のアノー
ド近傍が完全には空乏化せずに残るためp+n-
合の拡散電位によりチヤンネル領域へのホール注
入が抑止されている。即ち、カソードからアノー
ドに至る通路をみるとn+n-p+というダイオード
構造になつており、それに順方向電圧が加わつて
も電流が流れない理由が判つたわけである。即
ち、カソード側アノード側にそれぞれキヤリア注
入を抑える電位障壁が生じていて、電流が流れる
ことを抑えているわけである。更に、アノード電
圧Vaを増大させた時のポテンシヤル分布が第1
図dである。カソード側はアノード電圧Vaの増
大につれて、逆方向ゲート電圧Vgをカソード・
ゲート間の耐圧の範囲圧内で大きくすれば常に充
分高いポテンシヤル障壁を作り得る。ゲート・カ
ソード間は最大順方向阻止電圧を実現するに十分
な耐圧があるとしている。ところが、アノード電
圧Vaがさらに増加して、アノード側はn-領域1
2がアノード領域まで殆んど完全に空乏化してし
まえば、ホール注入を抑止するポテンシヤル障壁
が図示するように小さくなつてしまう。こうなる
と、カソード側の電子注入は抑えられているが、
アノード側からホールが注入されることになり、
ポテンシヤルの高い方にホールは流れ込む。そう
なると、固有ゲート近傍にもホールが流れ込むか
ら、固有ゲートのポテンシヤル障壁が実質的に低
下し、カソードからの電子注入が起るということ
になつて、電流が流れ始めてしまう。この状態
が、最大の順方向阻止電圧を与えることになる。
もちろん、ゲート・カソード間の耐圧が充分でな
い場合には、カソード側に十分なポテンシヤル障
壁ができずに、アノード側は充分にホール注入を
抑えていても、カソード側から電子注入が起つ
て、電流が流れ始めることもある。
In FIG. 1a, p + regions 11 and 14 are an anode region and a gate region, n + region 13 is a cathode region, and n region 12 is a region constituting a channel. 11', 13', 14' are Al, Mo, W,
The anode electrode, cathode electrode, and gate electrode are made of Au or other metals, low-resistance polysilicon, or a multilayer structure thereof.
Reference numeral 16 denotes an insulating layer of SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , AlN, etc., or another insulating layer, or a composite insulating layer or multilayer insulating layer of these. The reason why a cutoff state in which no current flows is achieved even when a predetermined positive voltage is applied to the anode will be explained using the potential distributions shown in FIGS. 1b to 1f. FIG. 1b shows the potential distribution in the channel cross-sectional direction when a predetermined reverse bias (including V g =0) is applied to the gate. All potential distributions after this are shown for electrons, and the lower the potential, the easier it is for electrons to reach. Therefore, positively charged holes are exactly the opposite, and the higher the potential, the easier they reach.
Potential 0 in FIG. 1 indicates the potential of the cathode. V bi in figure b is the diffusion potential between the gate and channel. If the potential V g * at the center of the channel is sufficiently larger than the thermal energy KT (K: Boltzmann's constant, T: temperature) possessed by electrons, almost no electrons will be injected from the cathode to the anode side beyond this barrier. Figures 1c and d show the potential distribution from the cathode to the anode in the center of the channel. The anode voltage V a at d is larger than in figure c. Shown on the anode side
V bi is the anode-channel diffusion potential.
Electron injection from the cathode side is inhibited by the point of maximum potential occurring in front of the cathode, that is, by the potential barrier -V g * of the intrinsic gate. On the other hand, on the anode side, since the n - region 12 near the anode remains without being completely depleted, hole injection into the channel region is suppressed by the diffusion potential of the p + n - junction. In other words, when we look at the path from the cathode to the anode, we see that it has a diode structure of n + n - p + , which explains why no current flows even when a forward voltage is applied to it. In other words, a potential barrier is generated on the cathode side and the anode side to suppress carrier injection, respectively, thereby suppressing the flow of current. Furthermore, when the anode voltage V a is increased, the potential distribution becomes the first
Figure d. On the cathode side, as the anode voltage V a increases, the reverse gate voltage V g is
A sufficiently high potential barrier can always be created by increasing the voltage within the range of the breakdown voltage between the gates. It is said that there is sufficient breakdown voltage between the gate and cathode to achieve the maximum forward blocking voltage. However, as the anode voltage V a further increases, the anode side becomes n - region 1.
If 2 becomes almost completely depleted up to the anode region, the potential barrier that suppresses hole injection becomes smaller as shown in the figure. In this case, electron injection on the cathode side is suppressed, but
Holes will be injected from the anode side,
The hole flows towards the side with higher potential. In this case, holes flow into the vicinity of the intrinsic gate, so the potential barrier of the intrinsic gate is substantially lowered, electron injection from the cathode occurs, and current begins to flow. This condition will provide the maximum forward blocking voltage.
Of course, if the withstand voltage between the gate and cathode is not sufficient, a sufficient potential barrier will not be formed on the cathode side, and even if hole injection is sufficiently suppressed on the anode side, electron injection will occur from the cathode side, resulting in a current may start flowing.

第1図e及びfは、ゲート・アノード間のポテ
ンシヤル分布をc図及びd図のVaに対して示し
ている。ゲート・アノード間は、p+n-p+構造と
なつており、アノードに正電圧Va、ゲートに逆
バイアス(負電圧)(Vg=0も含めて)が印加さ
れた状態では、ゲート側が逆方向に、アノード側
が順方向にバイアスされることになる。従つて、
空乏層はゲート側からアノードに向つて拡がるこ
とになる。電界強度は、ゲート近傍のn-領域が
一番強いことになる。ゲート・アノード間の電界
分布を、第1図fに相当する状態に対して、第1
図gに示す。最大電界強度Enaxは、当然のことな
がら、なだれ開始の閾値電界EBより小さくなけ
ればならない。カソード側やアノード側の電位障
壁が消滅する電圧印加状態で、EnaxがEBを越えれ
ば、最大順方向阻止電圧は、この電圧に決まつて
しまう。
Figures 1e and 1f show the potential distribution between the gate and anode with respect to V a in Figures c and d. The gate and anode have a p + n - p + structure, and when a positive voltage V a is applied to the anode and a reverse bias (negative voltage) (including V g = 0) is applied to the gate, the gate The side will be biased in the reverse direction and the anode side will be biased in the forward direction. Therefore,
The depletion layer will expand from the gate side toward the anode. The electric field strength is strongest in the n - region near the gate. The electric field distribution between the gate and the anode is changed to
Shown in Figure g. The maximum electric field strength E nax must of course be smaller than the threshold electric field E B for avalanche initiation. If E nax exceeds E B in a voltage application state where the potential barrier on the cathode side and anode side disappears, the maximum forward blocking voltage is determined to be this voltage.

〔発明の解決しようとする問題点〕[Problem to be solved by the invention]

大電力のスイツチングデバイスであるサイリス
タに要求される特性を列記すると、(1)最大順方向
阻止電圧VBa nax:大、(2)電圧増幅率μ:大(で
きるだけ小さなゲート電圧で大きな阻止電圧実
現)、(3)導通時の電流Ia:大、(4)導通時の電圧降
下Vfd:小((3)、(4)の意味するところは、導通時
の抵抗小)、(5)スイツチング速度が速い、(6)遮断
時の電流利得G:大等である。
The characteristics required of a thyristor, which is a high-power switching device, are (1) maximum forward blocking voltage V Ba nax : large, (2) voltage amplification factor μ: large (large blocking voltage with as small a gate voltage as possible). (realization), (3) Current Ia during conduction: large, (4) Voltage drop V fd during conduction: small ((3) and (4) mean small resistance during conduction), (5) The switching speed is fast, and (6) the current gain G when shutting off is large.

阻止電圧を大きくするためには、第2図でl2
長くしなければならない。しかしある程度以上長
くするようになると、この構造では、ゲート近傍
の電界速度Enaxが大きくなつて、なだれ開始の閾
値電界EBを越えてしまい、なだれによつて最大
阻止電圧が決まつてしまうことになる。なだれ開
始の閾値電界は、領域の厚さにもよることではあ
るが、Siでは略々200KV/cm程度、GaAsではも
う少し高い。又、不必要に、l2を長くすること
は、キヤリアの走行時間等を長くしてスイツチン
グ速度を遅くするし、また導通時の電圧降下Vfd
を大きくする。従来のサイリスタにおいては、最
適な長さのl2を設計する指針が無く、以上の(1)〜
(5)の要求をすべて満足させることは不可能であつ
た。
In order to increase the blocking voltage, l 2 in FIG. 2 must be made longer. However, if the length is increased beyond a certain point, in this structure, the electric field velocity E nax near the gate increases, exceeding the threshold electric field E B for starting an avalanche, and the maximum blocking voltage is determined by the avalanche. become. The threshold electric field for starting an avalanche is approximately 200 KV /cm for Si, and a little higher for GaAs , although it depends on the thickness of the region. In addition, unnecessarily increasing l 2 increases the running time of the carrier, slowing down the switching speed, and also reduces the voltage drop V fd when conducting.
Make it bigger. In conventional thyristors, there is no guideline for designing the optimal length l2 , and the above (1) ~
It was impossible to satisfy all requirements (5).

スイツチング速度を速くするためにはゲートの
容量を小さくする必要があり、ゲートをなるべく
小さく作る必要があるが微細加工技術には限度が
ある。またゲートをあまり小さくすると遮断時の
もれ電流が大きくなるため、ゲート寸法を無限に
小さく出来るわけではない。
In order to increase the switching speed, it is necessary to reduce the capacitance of the gate, and it is necessary to make the gate as small as possible, but there are limits to microfabrication technology. Furthermore, if the gate is made too small, the leakage current at the time of interruption becomes large, so the gate size cannot be made infinitely small.

高速スイツチングのためにはターン・オン時に
ゲートからのキヤリアの注入の無い絶縁ゲートサ
イリスタが好ましいが、絶縁ゲートではターン・
オフ時にホールの吸い出しが出来ないため、ター
ン・オフ特性が悪くなる欠点があつた。
For high-speed switching, an insulated gate thyristor without carrier injection from the gate at turn-on is preferable;
The drawback was that the turn-off characteristics deteriorated because the holes could not be sucked out when turned off.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明の目的は、叙上の欠点を除去し、ゲート
の容量が小さく、電圧降下が小さく、最大順方向
阻止電圧も大きく、かつスイツチング速度も速い
静電誘導サイリスタおよび、この最適設計・指針
を提供することにある。
The object of the present invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks, to provide a static induction thyristor with a small gate capacitance, a small voltage drop, a large maximum forward blocking voltage, and a fast switching speed, and to provide an optimum design and guideline for the electrostatic induction thyristor. It is about providing.

本発明の他の目的は、駆動ゲートをMOSゲー
トとした時、特に効果的な高速スイツチング出来
る静電誘導サイリスタを提供することにある。
Another object of the present invention is to provide an electrostatic induction thyristor that can perform particularly effective high-speed switching when a MOS gate is used as the drive gate.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

以下図面を参照しながら本発明を説明する。 The present invention will be described below with reference to the drawings.

最大阻止電圧が許す限り、n-領域12の厚さ
は薄い程、スイツチング速度も速く、電流も多く
流れ、電圧降下も小さくて望ましい。そうするた
めには、内部の電界強度ができるだけ均一で、な
だれの閾値電界強度EBより小さく抑えられなけ
ればならない。電界強度を均一にするには、n-
領域12の不純物密度NDは低い程望ましい。し
かし、領域12の不純物密度が低すぎると、アノ
ード近傍まで、低いアノード電圧で完全に空乏化
してしまい。アノード側のホール注入抑止機構が
きかなくなつて、最大阻止電圧VBa naxが低下す
る。
As long as the maximum blocking voltage allows, the thinner the n - region 12 is, the faster the switching speed, the greater the current flow, and the smaller the voltage drop. To do so, the internal electric field strength must be as uniform as possible and kept below the avalanche threshold electric field strength E B. To make the field strength uniform, n -
The lower the impurity density N D of the region 12, the more desirable. However, if the impurity density in the region 12 is too low, the region near the anode will be completely depleted at a low anode voltage. The hole injection suppression mechanism on the anode side becomes ineffective, and the maximum blocking voltage V Ba nax decreases.

第2図aは、本発明のSIサイリスタの分割ゲー
ト構造の平面図、第2図bは、a図のA―A′線
に沿う断面の1チヤンネル分を示している。第2
図C及びdは、ゲート・アノード間のポテンシヤ
ル分布である。
FIG. 2a is a plan view of the split gate structure of the SI thyristor of the present invention, and FIG. 2b is a cross-sectional view of one channel taken along line AA' in FIG. 2a. Second
Figures C and d are potential distributions between the gate and anode.

内部の電界強度はできるだけ均一にして、しか
も所定のアノード電圧まで電流が流れないように
するには、第2図aに示すような構造にすればよ
い。即ち、ゲート・アノード間の殆んどの領域は
不純物密度の極めて低いn--領域12により構成
され、アノード近傍にだけ不純物密度の比較的高
いn領域15を設ければよい。
In order to make the internal electric field strength as uniform as possible and to prevent current from flowing up to a predetermined anode voltage, a structure as shown in FIG. 2a may be used. That is, most of the region between the gate and the anode is constituted by the n-- region 12 having an extremely low impurity density, and it is sufficient to provide the n-region 15 having a relatively high impurity density only in the vicinity of the anode.

P+領域14は駆動ゲートで、駆動ゲートに電
位を与えるための駆動ゲート用電極14′が上部
に形成されている。他方のP+領域14″はP+領域
14とは独立した領域で、チヤンネル領域の電位
を設定するために零を含めた固定電位が電極14
より与えられる。P+領域14″を固定電位ゲー
ト、電極14を固定電位ゲート電極と呼ぶ。固
定電位ゲート領域14″は、同時にホールの吸い
出し領域の役割をしており、14はカソード電
極13′に直結されても良い。他の領域は、第1
図aと全く同様である。
The P + region 14 is a drive gate, and a drive gate electrode 14' for applying a potential to the drive gate is formed thereon. The other P + region 14'' is a region independent from the P + region 14, and a fixed potential including zero is applied to the electrode 14 in order to set the potential of the channel region.
More given. The P + region 14'' is called a fixed potential gate, and the electrode 14 is called a fixed potential gate electrode.The fixed potential gate region 14'' also serves as a hole sucking region, and 14 is directly connected to the cathode electrode 13'. Also good. The other areas are the first
It is exactly the same as Figure a.

第2図dは、第2図cに比べてVaの値が大き
い場合のポテンシヤル図を示している。各領域の
役割は第1図の場合と同じである。新たにn領域
15がアノードに隣接して設けられている。最大
阻止電圧VBa naxは、n--領域12の厚さでかせ
ぎ、アノード側のホール注入抑止はn領域15で
行なう構造になつている。
FIG. 2d shows a potential diagram when the value of V a is larger than that in FIG. 2c. The role of each area is the same as in FIG. A new n region 15 is provided adjacent to the anode. The maximum blocking voltage V Ba nax is determined by the thickness of the n-- region 12, and the n-region 15 suppresses hole injection on the anode side.

第2図dのポテンシヤル分布は、ほぼ最大阻止
電圧が印加された状態に対応している。ゲートか
ら延びた空乏層が、n領域15中に入り込みほと
んどアノード領域へ到達した状態になつている。
その時の、n--領域のゲート領域接合面の最大電
界Enaxがなだれ開始の閾電界値EBよりやや小さな
値になされており(第2図e)、なだれは開始し
ていない。この電圧印加状態でゲート印加の逆バ
イアスも、ゲート・カソード間耐圧に近いように
設計することが望ましい。ゲート・カソードが隣
接して設けられるほど、ゲートのアノード方向の
流さが短くて高い電圧が阻止できて、順方向電圧
降下Vfdが小さくてすむ。n領域15の厚さが厚
すぎると、最大阻止電圧印加時でも空乏層になら
ない領域がn領域15に多量に残つて、ポテンシ
ヤルが平坦な部分が長く存在することになる。即
ち、ゲートが開いて電子が流れ込み、n領域15
に電子が蓄積してアノード側障壁が消滅しても、
アノードからチヤンネル側に注入されるホールの
注入効率が低下し、同時にホールの注入速度が遅
くなつて、スイツチング速度の劣化及びVfdの増
大を引き起す。したがつて、n領域15は薄い程
望ましいことになる。薄い領域でしかも所定の最
大阻止電圧で空乏層がほぼアノードに到達するよ
うにするためには、n領域15の不純物密度は高
い程望ましいことになる。ただし、n領域15の
不純物密度が高い程、ホールのポテンシヤル障壁
を引き下げるために、その領域に流れ込まなけれ
ばならない電子の量が多くなつて、スイツチング
時間をやや遅くすることが起つてくる。
The potential distribution in FIG. 2d corresponds to the situation where approximately the maximum blocking voltage is applied. The depletion layer extending from the gate enters into the n region 15 and almost reaches the anode region.
At that time, the maximum electric field Enax at the junction surface of the gate region in the n-- region is set to a value slightly smaller than the threshold electric field value E B for starting an avalanche (Fig. 2e), and no avalanche has started. In this voltage application state, it is desirable that the reverse bias applied to the gate is also designed to be close to the gate-cathode breakdown voltage. The closer the gate and cathode are provided, the shorter the flow in the direction of the anode of the gate, and the higher the voltage can be blocked, the smaller the forward voltage drop V fd can be. If the thickness of the n-region 15 is too thick, a large amount of region that does not become a depletion layer remains in the n-region 15 even when the maximum blocking voltage is applied, resulting in a long portion where the potential is flat. That is, the gate opens and electrons flow into the n region 15.
Even if electrons accumulate and the anode side barrier disappears,
The injection efficiency of holes injected from the anode to the channel side decreases, and at the same time, the hole injection speed slows down, causing a deterioration in the switching speed and an increase in V fd . Therefore, the thinner the n-region 15 is, the more desirable it is. In order to make the depletion layer almost reach the anode in a thin region and at a predetermined maximum blocking voltage, it is desirable that the impurity density of n region 15 be as high as possible. However, the higher the impurity density in the n-region 15, the greater the amount of electrons that must flow into that region in order to lower the hole potential barrier, resulting in a somewhat slower switching time.

n--領域12の不純物密度をND1とするとn--
域12が全領域空乏化したときのゲート領域14
端とn領域15に隣接する所の電界強度の差は、
略々ND1ql2/εで与えられる。qは単位電荷、ε
は誘導率である。l2=500μmとすると、ND1=1
×1013cm-3としたときのND1ql2/εの値は、およ
そ80KV/cmになる。ゲート端面での電界強度
Enaxを、150KV/cmに抑えると、l2=500μmで
5500V程度の阻止電圧が実現される。Enax
180KV/cmまで許せれば、7000V程度の阻止電圧
がl2=500μmで実現される。ND1=1×1012cm-3
とすると、ND1ql2/εはほぼ8KV/cmとなる。こ
の時には、ゲート端電界医強度Enaxが150KV/
cmで、l2=500μmとすると7200V程度の阻止電圧
が実現される。l2を例えば、50μmとする。ND1
1×1013cm-3としたときのND1ql2/εの値は、お
よそ8KV/cm、ND1=1×1012cm-3としたときで
あれば、ND1ql2/εはおよそ0.8KV/cmとなる。
Enaxを150KV/cmに抑えると、このSIサイリス
タでは、それぞれ、730V、及び750V程度の最大
順方向阻止電圧が実現される。ND1を1×1013cm
-3程度の値にすれば、たとえば、400Vの阻止電
圧は、27μm以下のl2で実現される。n--領域12
とn領域15の境界の電界強度は、Enax
ND1ql2/εで与えられる。従つて、n領域15の
不純物密度ND2及び厚さl3は、略々次の関係を満
たすように決定する。
If the impurity density of the n -- region 12 is N D1 , the gate region 14 when the n -- region 12 is completely depleted
The difference in electric field strength between the edge and the area adjacent to the n-region 15 is
It is approximately given by N D1ql2 /ε. q is unit charge, ε
is the induction factor. If l 2 = 500 μm, N D1 = 1
×10 13 cm -3, the value of N D1ql2 /ε is approximately 80 KV/cm. Electric field strength at gate edge
If E nax is suppressed to 150KV/cm, l 2 = 500μm
A blocking voltage of approximately 5500V is achieved. E nax
If it is allowed to reach 180KV/cm, a blocking voltage of about 7000V can be achieved at l 2 =500μm. N D1 = 1×10 12 cm -3
Then, N D1ql2 /ε becomes approximately 8KV/cm. At this time, the gate end electric field intensity E nax is 150KV/
cm, and if l 2 =500 μm, a blocking voltage of about 7200V is achieved. Let l 2 be, for example, 50 μm. N D1 =
When N D1 = 1 x 10 13 cm -3 , the value of N D1ql2 /ε is approximately 8 KV/cm, and when N D1 = 1 x 10 12 cm -3 , N D1ql2 / ε is approximately 0.8 KV/cm. cm.
By suppressing E nax to 150 KV/cm, this SI thyristor achieves maximum forward blocking voltages of around 730 V and 750 V, respectively. N D1 1×10 13 cm
If the value is about -3 , for example, a blocking voltage of 400V can be achieved with l 2 of 27 μm or less. n --area 12
The electric field strength at the boundary between and n region 15 is E nax
It is given by N D1ql2 /ε. Therefore, the impurity density N D2 and the thickness l 3 of the n region 15 are determined so as to approximately satisfy the following relationship.

Enax−ND1ql2/ε=ND2ql3/ε ……(1) ND2=1×1016cm-3なら、l3は1μm程度であれ
ば充分だし、ND2=1×1017cm-3ならl3は0.1〜
0.2μmで充分である。ND2=1×1015cm-3であれ
ばl3は10μm程度以下である。最大阻止電圧
VBa naxは、略々次の式で与えられる。
E nax −N D1ql2 /ε=N D2ql3 /ε ...(1) If N D2 = 1×10 16 cm -3 , l 3 of about 1 μm is sufficient, and N D2 = 1×10 17 cm -3 Then l 3 is 0.1~
0.2 μm is sufficient. If N D2 =1×10 15 cm −3 , l 3 is about 10 μm or less. Maximum blocking voltage
V Ba nax is approximately given by the following formula.

VBa nax≒(Enax−ND1ql2/2ε)l2 +ND2ql2 2/2ε ……(2) この値が実現されるためには、カソード・ゲー
ト間の耐圧が高くて、ゲートを充分逆バイアスで
きて、カソード側から電子注入が起こらないよう
な十分なポテンシヤルバリアがゲートにより生成
できるときに限られる。Enaxは、なだれ開始の閾
値電圧EBとの関係で決めればよい。式(2)によれ
ば、できるだけ薄いl2で大きな阻止電圧を実現す
るには、ND1は小さい程望ましいことがわかる。
即ち、領域12は、真性半導体もしくは実質的に
真性半導体に近いi領域であることが望ましい。
即ち、ND1ql2/2εがEBにくらべて充分無視できる
程に小さく選べばよいわけである。
V Ba nax ≒ (E nax −N D1ql2 /2ε)l 2 +N D2ql2 2 /2ε ...(2) In order to achieve this value, the withstand voltage between the cathode and gate must be high and the gate must be sufficiently reverse biased. This is only possible when the gate can create a sufficient potential barrier to prevent electron injection from the cathode side. E nax may be determined in relation to the threshold voltage E B for starting an avalanche. According to equation (2), it is found that in order to achieve a large blocking voltage with l 2 as thin as possible, it is desirable that N D1 be as small as possible.
That is, it is desirable that the region 12 be an intrinsic semiconductor or an i-region substantially close to an intrinsic semiconductor.
That is, it is sufficient to choose N D1ql2 /2ε to be sufficiently small compared to E B so that it can be ignored.

このように、本発明のSIサイリスタにおいて
は、最大順方向阻止電圧VBa naxが、できるだけ
薄いデバイス厚さで実現されるように、カソード
側固有ゲートの電位障壁高さ、アノード側電位障
壁高さ、及びゲート領域接合面の電界強度がなだ
れ閾値電界EBを越えないようにするなどの配慮
がなされている。内部の電界強度が略々均一であ
ることから、導通状態になつた時の電流値が大き
く、同時に順方向降下電圧が低い。また、ゲート
に逆方向バイアスを加えて遮断するときも、かな
りのキヤリアがドリフトで走行していることか
ら、スイツチング時間が短いことになる。
In this way, in the SI thyristor of the present invention, the potential barrier height of the specific gate on the cathode side and the potential barrier height on the anode side are adjusted so that the maximum forward blocking voltage V Ba nax is achieved with a device thickness as thin as possible. Considerations are taken to ensure that the electric field strength at the junction surface of the gate region and the gate region does not exceed the avalanche threshold electric field E B. Since the internal electric field strength is approximately uniform, the current value when the conductive state is established is large, and at the same time, the forward voltage drop is low. Furthermore, even when a reverse bias is applied to the gate to shut it off, a considerable amount of the carrier is drifting, so the switching time is short.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

本発明の他の実施例について説明する。以後の
構造では、1チヤンネル分だけ示すことにする。
大電流にするには、これらを多数並列にならべた
マルチチヤンネル構造にすればよい。
Other embodiments of the present invention will be described. In the following structure, only one channel will be shown.
In order to obtain a large current, a multi-channel structure in which many of these are arranged in parallel can be used.

第3図は、埋め込みゲート型構造の本発明のSI
サイリスタの断面構造例である。互いに独立した
分割ゲートのp+駆動ゲート領域14およびp+
定電位ゲート領域14″がそれぞれ網目状やスト
ライプ状等にn--領域12中に埋め込まれてい
る。カソードn+領域13は、チヤンネル中央部
に向つて突出している。ゲート・カソード間も
n--領域12と同一領域としているが、製造方法
によつて変化する場合が多い。高抵抗領域がゲー
ト・カソード間に存在するので、ゲート・カソー
ド間耐圧が大きく、その静電容量は少ない。第3
図では、カソードn+領域が主表面全面にわたつ
ている場合を示しているが、チヤンネル中央付近
にのみ、チヤンネル中央に向つて突出させた構造
でもよい。もちろん、こうした突出部がなく、
n+領域13は平坦でもよい。この埋め込みゲー
ト構造では、ゲート抵抗が高くなり易く、スイツ
チング速度が遅くなる欠点があるから、ゲートの
ストライプは短くして、表面に抜いて金属電極を
設けておけばよい。
Figure 3 shows the SI of the present invention with a buried gate type structure.
It is an example of the cross-sectional structure of a thyristor. A p + drive gate region 14 and a p + fixed potential gate region 14'', which are mutually independent divided gates, are embedded in the n-- region 12 in a mesh shape, stripe shape, etc. The cathode n + region 13 is a channel It protrudes toward the center. Also between the gate and cathode.
Although this area is the same as n-- area 12, it often changes depending on the manufacturing method. Since the high resistance region exists between the gate and the cathode, the breakdown voltage between the gate and the cathode is high and the capacitance thereof is small. Third
Although the figure shows a case in which the cathode n + region extends over the entire main surface, it may also have a structure in which it protrudes only near the center of the channel toward the center of the channel. Of course, there is no such protrusion,
The n + region 13 may be flat. This buried gate structure has the disadvantage that the gate resistance tends to be high and the switching speed is slow, so the gate stripes may be shortened and metal electrodes may be provided on the surface.

第4図の17は、絶縁層である。絶縁層の上
に、p+駆動ゲート領域14が設けられている。
この構造では、ゲート領域14の主要部は単結晶
である必要はなく、多結晶でもよいし、多孔質結
晶でもよい。ゲート領域底面に絶縁層17が設け
られていることから、アノードから流れ込むホー
ルのうち、駆動ゲートに流れ込む量が少なく、電
流利得(ターンオフ利得)の大きなSIサイリスタ
になる。
17 in FIG. 4 is an insulating layer. A p + drive gate region 14 is provided above the insulating layer.
In this structure, the main part of the gate region 14 does not need to be single crystal, and may be polycrystalline or porous crystal. Since the insulating layer 17 is provided at the bottom of the gate region, only a small amount of holes flowing from the anode flow into the drive gate, resulting in an SI thyristor with a large current gain (turn-off gain).

一方、p+固定電位ゲート領域14″の下部は絶
縁層が無く、ホールの吸い出しが効率良くできる
ようになつている。
On the other hand, there is no insulating layer below the p + fixed potential gate region 14'', so that holes can be sucked out efficiently.

第5図及び第6図は、絶縁ゲート型SIサイリス
タの例である。SIサイリスタは、チヤンネルの電
位をゲートにより制御することによつて、オンオ
フ制御を行なうから、ゲート構造は接合型に限ら
ず基本的にはいかなる構造でもよい。
5 and 6 are examples of insulated gate type SI thyristors. Since the SI thyristor performs on/off control by controlling the potential of the channel with the gate, the gate structure is not limited to the junction type, and basically any structure may be used.

第5図は、駆動ゲートである絶縁ゲートが主表
面に設けられた構造である。カソード領域の電子
は、駆動絶縁ゲート14′により制御されて、絶
縁ゲート(以後MOSゲートと称す)と固定電位
ゲートのp領域14″で囲まれるチヤンネルを始
めは、ほぼ主表面に沿つて横に流れ、次にアノー
ド方向に向つて流れる。第5図bは、第5図aの
カソード領域の紙面垂直方向の断面構造を示して
いる。図では、p領域14″には独立した電極1
4が設けられている。14には、独立の電位
が与られてもよいし、浮遊状態になされてもよ
い。もちろん、カソード電極13′と直結しても
よい。この場合には、アノードから注入されたホ
ールは、殆んどp領域14″に流れ込み、電極1
4を介してカソード電極13′に流れるから、
ホールのはけがよく動作速度が速い。当然のこと
ながら、MOSゲートになつているので電流利得
は非常に大きい。P領域14″が浮遊状態のとき
には、p領域14″に流れ込んだホールにより、
従来のサイリスタと同じ動作が現われ、MOSゲ
ートによる遮断ができなくる場合がある。多く
は、カソード電極と直結するか、独立電位を与え
て動作させることになる。第5図cは、第5図a
を改良したものの例である。MOSゲートが隣接
するカソード領域間に均一に設けられた例が第5
図aである。中央付近で本来アノード方向に流れ
なければならない電子に対して、この構造では逆
電界ができ易いので、第5図cでは中央付近の絶
縁層の厚さを厚くして、逆電界の現れることを抑
えている。第5図p固定電位ゲート領域の厚さや
不純物密度は、最大阻止電圧印加時にアノード・
カソード間がパンチングスルーして直接電流が流
れることのないようにしておけばよい。同時に、
p領域14″には電流が流れるから、流れる電流
により生じる電圧降下が充分無視できる程度に小
さくなるように、寸法及び不純物密度を選べばよ
い。不純物密度は比較的高いことが望ましいこと
になる。
FIG. 5 shows a structure in which an insulated gate serving as a driving gate is provided on the main surface. The electrons in the cathode region are controlled by the drive insulated gate 14' and are directed laterally approximately along the main surface, starting with a channel surrounded by the insulated gate (hereinafter referred to as MOS gate) and the p-region 14'' of the fixed potential gate. FIG. 5b shows a cross-sectional structure of the cathode region of FIG. 5a in the direction perpendicular to the plane of the paper.
4 is provided. 14 may be given an independent potential or may be left in a floating state. Of course, it may be directly connected to the cathode electrode 13'. In this case, most of the holes injected from the anode flow into the p region 14'' and the holes injected from the anode flow into the electrode 14''.
4 to the cathode electrode 13',
The hole has good drainage and the operation speed is fast. Naturally, since it is a MOS gate, the current gain is extremely large. When the P region 14'' is in a floating state, due to the holes flowing into the P region 14'',
It behaves the same as a conventional thyristor, and may not be able to be shut off by a MOS gate. Most of them are operated by being directly connected to the cathode electrode or by applying an independent potential. Figure 5c is Figure 5a
This is an example of an improved version of . The fifth example is an example in which MOS gates are uniformly provided between adjacent cathode regions.
Figure a. This structure tends to create a reverse electric field for electrons that should originally flow toward the anode near the center, so in Figure 5c, the thickness of the insulating layer near the center is increased to prevent the appearance of a reverse electric field. I'm suppressing it. Figure 5: The thickness and impurity density of the p-fixed potential gate region are
It is sufficient to prevent current from directly flowing between the cathodes due to punching through. at the same time,
Since a current flows through the p-region 14'', the dimensions and impurity density may be selected so that the voltage drop caused by the flowing current is sufficiently small to be ignored.It is desirable that the impurity density is relatively high.

第5図の駆動ゲートはシヨツトキ電極でもよ
い。
The drive gate in FIG. 5 may be a shot electrode.

第6図に、本発明のSIサイリスタの他の実施例
を示す。切り込まれた領域の底面にp+駆動ゲー
ト領域14およびp+固定電位ゲート領域14″を
設けて、分割ゲート構造とした例が第6図aであ
る。切り込まれた領域の底面近傍の側面にp+
域14および14″を設けて、ゲート領域とした
例が第6図bである。ゲート・カソード間容量が
減少し、ゲート・カソード間耐圧が向上する構造
になつている。p+領域14,14″が切り込み領
域底面、全面にある、第6図aの構造は、ゲート
に流れ込むホールが多いため電流利得が小さくな
り易い。第6図bでは、ゲート領域が小さいか
ら、ゲートに流れ込む電流が少なく、電流利得が
大きい。第7図乃至第11図では、すべて固定電
位ゲートがカソードに直結された例が示されてい
る。
FIG. 6 shows another embodiment of the SI thyristor of the present invention. Figure 6a shows an example of a split gate structure in which a p + drive gate region 14 and a p + fixed potential gate region 14'' are provided on the bottom surface of the cut region. An example in which p + regions 14 and 14'' are provided on the side surfaces and used as gate regions is shown in FIG. 6b. The structure reduces the capacitance between the gate and cathode and improves the withstand voltage between the gate and cathode. In the structure shown in FIG. 6a, in which the p + regions 14, 14'' are located on the entire bottom surface of the notch region, the current gain tends to be small because there are many holes flowing into the gate. In FIG. 6b, since the gate region is small, The current flowing into the gate is small and the current gain is large. Figs. 7 to 11 all show examples in which the fixed potential gate is directly connected to the cathode.

第7図で、p+領域14が駆動ゲート、p+領域
14″は固定電位ゲートである。駆動ゲートが半
分に減少するから、静電容量が小さくなつて、動
作速度が速くなり、同時に駆動ゲートに流れ込む
ホールの量が減少して、電流利得が大きくなる。
In FIG. 7, the p + region 14 is a drive gate, and the p + region 14'' is a fixed potential gate.Since the drive gate is reduced by half, the capacitance is reduced, the operating speed is increased, and at the same time the drive gate is The amount of holes flowing into the gate is reduced, increasing current gain.

電流利得がさらに大きくなるように、駆動ゲー
トの底面に絶縁層を設けた例が第8図である。こ
の例では、駆動ゲートに流れ込むホールの量が非
常に小さくなり、電流利得は大幅に改善される。
FIG. 8 shows an example in which an insulating layer is provided on the bottom surface of the drive gate to further increase the current gain. In this example, the amount of holes flowing into the drive gate is much smaller, and the current gain is significantly improved.

分割ゲート構造の欠点の1つは、大電圧を阻止
するために、駆動ゲートに大きな逆ゲートバイア
スを加えると、固定電位ゲートと駆動ゲートの間
にパンチングスルー電流が流れることである。分
割ゲートの特長を生かしながら、この分割ゲート
の唯一の欠点とも言えるゲート間のパンチングス
ルー電流を極端に減少させた例が第9図である。
第9図では、固定電位ゲートのチヤンネルに沿う
側面に絶縁層が設けられている。アノードからの
ホールの一部もしくは多くは、固定電位ゲートの
底面に流れ込んで、カソード電極の電流となる。
One of the drawbacks of the split gate structure is that when a large reverse gate bias is applied to the drive gate to block large voltages, a punch-through current flows between the fixed potential gate and the drive gate. FIG. 9 shows an example in which the punching-through current between the gates, which can be said to be the only drawback of the split gate, is extremely reduced while taking advantage of the features of the split gate.
In FIG. 9, an insulating layer is provided on the side surface of the fixed potential gate along the channel. Some or many of the holes from the anode flow into the bottom of the fixed potential gate and become a current at the cathode electrode.

分割ゲート構造で、駆動ゲートをMOSゲート
にして、電流利得を大きくし、かつホールのはけ
をよくするようになした例が、第10図である。
FIG. 10 shows an example of a split gate structure in which a MOS gate is used as the drive gate to increase current gain and improve hole drainage.

第7図乃至第10図は、駆動ゲート及び固定電
位ゲートが殆んど同一の深さまで設けられた例を
示したが、必ずしもこうする必要はない。固定電
位ゲートをより深く設けることによつて、ホール
の吸い出し効率をよくし、大電圧の遮断をより容
易にすることもできる。
Although FIGS. 7 to 10 show an example in which the drive gate and the fixed potential gate are provided to almost the same depth, it is not necessary to do so. By providing the fixed potential gate deeper, hole extraction efficiency can be improved and large voltages can be more easily interrupted.

第11図aには、第2図に相当する平面ゲート
構造において、ゲート領域14,14″が主表面
から離れた部分により広い領域を有する構造例を
示す。ゲート・カソード間の耐圧は大きく、静電
容量は小さい。しかも、遮断の効率が極めて良い
という特長を第11図aの構造のSIサイリスタは
有している。
FIG. 11a shows an example of a planar gate structure corresponding to FIG. 2 in which the gate regions 14, 14'' have a wider area at a distance from the main surface.The breakdown voltage between the gate and cathode is large; The SI thyristor with the structure shown in FIG. 11a has a small capacitance and extremely high shutoff efficiency.

第11図aのように、ゲート領域が主表面より
離れた部分により広い領域を有する構造は、第
4,7,8,9,10図の構造にもそのまま適用
できる。
The structure in which the gate region has a wider area away from the main surface as shown in FIG. 11a can also be applied to the structures shown in FIGS.

第11図aのような、末広がりのゲート構造
は、たとえばEF水溶液を用いたシリコンの多孔
質化の技術を用いれば容易に実現できる。
A gate structure that widens toward the end as shown in FIG. 11a can be easily realized, for example, by using a technique of making silicon porous using an EF aqueous solution.

第11図bは、p+駆動ゲート領域14の底面
に絶縁層16を形成し、遮断時の電流利得を大き
くする構造となつている。第11図bのような構
造は、p+駆動ゲート領域14をHF溶液による陽
極化成法により、多孔質シリコンとした後、酸素
のイオン注入によるSiO2絶縁層16の形成、そ
の後Bの拡散もしくはイオン注入により形成でき
る。
FIG. 11b shows a structure in which an insulating layer 16 is formed on the bottom surface of the p + drive gate region 14 to increase the current gain during cutoff. In the structure shown in FIG. 11b, the p + drive gate region 14 is made into porous silicon by anodization using an HF solution, the SiO 2 insulating layer 16 is formed by oxygen ion implantation, and then B is diffused or It can be formed by ion implantation.

p+駆動ゲート領域14とp+固定電位ゲート領
域14″との間隔Wは、小さな逆ゲートバイアス
で大きな順方向阻止電圧を実現するためには小さ
い程望ましい。ゲート・カソード間の耐圧が所望
の値以下に低下しない程度に、ゲート、カソード
は隣接させて、Wは小さくすることが望ましい。
当然のことながら、Wを小さくしすぎると、導通
時の抵抗が増大する。
The distance W between the p + drive gate region 14 and the p + fixed potential gate region 14'' is preferably as small as possible in order to achieve a large forward blocking voltage with a small reverse gate bias. It is desirable that the gate and cathode be placed adjacent to each other and that W be small to the extent that the value does not drop below the value.
Naturally, if W is made too small, the resistance during conduction will increase.

以上、本発明を具体例を参照しながら説明した
が、本発明がこれら具体例に限らないことはもち
ろんである。導電型を全く反転したものでもよい
ことはもちろんである。この場合、領域11が
n+領域になり、順方向状態では負の電圧が印加
されるが、本発明では領域11を電圧の正負にか
かわらずアノード領域と呼ぶことにする。要する
にアノードに隣接してそのカソード側にアノード
領域とは反対導電型の不純物密度の高い薄層を挿
入し、カソード領域までのチヤンネル構成領域を
できるだけ不純物密度の低い領域で構成した構造
のものであればよい。最大阻止電圧をできるだけ
大きくするように、低不純物密度領域の電界強度
をできるだけ均一にすることによつて、なだれ開
始閾値電界ぎりぎりまでの動作を行なわせること
ができ、アノード側のキヤリア注入による阻止電
圧低下は、比較的不純物密度を高くした薄層領域
で抑えている。薄層領域は薄くなされているか
ら、アノードからのキヤリア注入効率がよく、ま
た注入キヤリアが非常に速くチヤンネル側に注入
されるから、速度も速く、電圧降下も小さく、か
つ導通時の電流も大きいという特長を有してい
る。最大阻止電圧を大きくするには、領域12を
厚くすればよい。電流を大きくするには、チヤン
ネル数を増せばよい。
Although the present invention has been described above with reference to specific examples, it goes without saying that the present invention is not limited to these specific examples. Of course, the conductivity type may be completely reversed. In this case, area 11 is
Although the region 11 is an n + region and a negative voltage is applied in the forward state, in the present invention, the region 11 is called an anode region regardless of whether the voltage is positive or negative. In short, it is a structure in which a thin layer with a high impurity density of the conductivity type opposite to that of the anode region is inserted adjacent to the anode on the cathode side, and the channel forming region up to the cathode region is made up of a region with as low impurity density as possible. Bye. By making the electric field strength in the low impurity density region as uniform as possible so as to increase the maximum blocking voltage as much as possible, operation can be performed up to the very edge of the avalanche initiation threshold electric field, and the blocking voltage due to carrier injection on the anode side can be increased. The decrease is suppressed in a thin layer region with relatively high impurity density. Since the thin layer region is made thin, the carrier injection efficiency from the anode is high, and the injected carriers are injected into the channel side very quickly, so the speed is fast, the voltage drop is small, and the current when conducting is large. It has the following characteristics. In order to increase the maximum blocking voltage, the region 12 may be made thicker. To increase the current, increase the number of channels.

これまで、本発明のできるだけ短いカソード・
アノード間隔で順方向最大阻止電圧を大きくする
ことに重点を置いて説明してきた。ところで、多
くの場合サイリスタには、順方向耐圧と同時に逆
方向耐圧も要求される。逆方向耐圧は、たとえば
第2図aのアノードからカソードに至る
p+nn--n+ダイオード構造の逆方向特性で決定す
る。n--領域12の不純物密度が非常に低くて実
質的に真性領域とみなせる場合の逆方向電圧Va
印加時のカソード・アノード間のポテンシヤル分
布及び電界分布を第12図a及びbに示す。第2
図bのアノード接合部最大電界強度は、ほぼ Enax≒1/l1+l3{Va+Vbi +ND2ql3/ε(l1+l3/2)} ……(3) で与えられる。この電界強度Enaxがなだれ閾値電
界EBに達すると、なだれ電流が流れ始めてしま
う。逆方向耐圧Var naxは、従つて次式で与えら
れる。
Until now, the shortest possible cathode of the present invention
The explanation has focused on increasing the forward maximum blocking voltage by changing the anode spacing. Incidentally, in many cases, thyristors are required to have forward breakdown voltage as well as reverse breakdown voltage. The reverse breakdown voltage is, for example, from the anode to the cathode in Figure 2a.
p + nn -- Determined by the reverse characteristics of the n + diode structure. n -- Reverse voltage V a when the impurity density of region 12 is so low that it can be substantially considered as an intrinsic region
The potential distribution and electric field distribution between the cathode and anode during application are shown in FIGS. 12a and 12b. Second
The maximum electric field strength at the anode junction in FIG. b is approximately given by E nax ≈1/l 1 +l 3 {V a +V bi +N D2ql3 /ε(l 1 +l 3 /2)} (3). When this electric field strength E nax reaches the avalanche threshold electric field E B , an avalanche current begins to flow. The reverse breakdown voltage V ar nax is therefore given by the following equation.

Var nax≒EB(l1+l3)−Vbi −ND2ql3/ε(l1+l3/2) ……(4) たとえば、l1=500μm、ND1=1×1012cm-3、l3
=1μm、ND2=1×1016cm-3として、EB
200KV/cmとすると、Var naxはおよそ2000Vと
なる。最大順方向耐圧が、7000V以上あるわけで
あるから、この程度の逆方向耐圧では不十分なこ
とが多い。式(3)、(4)では、ゲートアノード間のパ
チンスルーの考慮が抜けている。従つて実際には
2000V迄逆耐圧は向上しない。このデバイスで、
順方向と同程度の逆方向耐圧を持たせる動作をさ
せるためには、このデバイスと直列に、たとえ
ば、Siのシヨツトキダイオードを第13図のよう
に接続すればよい。D1はシヨツトキダイオード、
Q1は本発明のSIサイリスタである。シヨツトキ
ダイオードは、所定の厚さを有するn形高抵抗領
域の一方の主表面にn+領域を設け、他方の主表
面にAl、Pd、Pt、Au等あるいはその他の金属に
よるシヨツトキ接合を設ければよい。n形高抵抗
領域の不純物密度及び厚さは、逆方向耐圧の要求
値及び順方向電圧降下値などから決定すればよ
い。シヨツトキダイオードでは多数キヤリアが流
れるから、そのスイツチング速度は速い。シヨツ
トキダイオードは順方向降下電圧がやや大きくな
り易いから、その時にはp+in+ダイオード等を用
いればよい。
V ar nax ≒ E B (l 1 + l 3 ) − V bi −N D2ql3 /ε (l 1 + l 3 /2) ……(4) For example, l 1 = 500μm, N D1 = 1×10 12 cm -3 , l 3
= 1 μm, N D2 = 1 × 10 16 cm -3 , E B =
Assuming 200KV/cm, V ar nax will be approximately 2000V. Since the maximum forward breakdown voltage is 7000V or more, this level of reverse breakdown voltage is often insufficient. Equations (3) and (4) omit consideration of snap-through between the gate and anode. Therefore, in reality
Reverse breakdown voltage does not improve up to 2000V. With this device,
In order to operate with a reverse breakdown voltage comparable to that in the forward direction, a Si Schottky diode, for example, may be connected in series with this device as shown in FIG. D1 is a shotgun diode,
Q1 is the SI thyristor of the present invention. A Schottky diode has an n + region on one main surface of an n-type high-resistance region with a predetermined thickness, and a Schottky junction made of Al, Pd, Pt, Au, etc. or other metal on the other main surface. That's fine. The impurity density and thickness of the n-type high resistance region may be determined based on the required value of reverse breakdown voltage, forward voltage drop value, etc. Since many carriers flow through the shotgun diode, its switching speed is fast. A Schottky diode tends to have a somewhat large forward voltage drop, so in that case a p + in + diode or the like may be used.

本発明のSIサイリスタだけで所定の逆方向耐圧
とを実現するには、n--領域12とn領域15の
不純物密度及び厚さを略々次のように選べばよ
い。逆方向耐圧は、p+(11)n(15)接合部の最大電
界が、なだれ閾値電界EBを起すことによるなだ
れ電流が流れ始めるかあるいはアノードから延び
る空乏層がp+領域14に完全に到達してパンチ
ングスルー電流あるいはパンチスルー電流が流れ
始めることによる。従つて、この両者が略々同時
に起るように諸量を選定することが望ましいわけ
である。
In order to realize a predetermined reverse breakdown voltage using only the SI thyristor of the present invention, the impurity density and thickness of the n-- region 12 and the n-region 15 can be selected approximately as follows. The reverse breakdown voltage is determined when the maximum electric field at the p + (11) n (15) junction causes an avalanche threshold electric field E B and an avalanche current begins to flow, or when the depletion layer extending from the anode completely reaches the p + region 14. This is due to the punching-through current or punch-through current starting to flow. Therefore, it is desirable to select various quantities such that both of these occur approximately at the same time.

Enax≒ND1ql2/ε+ND2ql3/ε≒EB ……(5) Var nax=ND1ql2 2/2ε+ND2ql3 2/2ε +ND1ql2l3/ε ……(6) 即ち、p+(11)n(15)接合面の電界強度が略々な
だれ閾値電界EBに等しくなつた時に、アノード
からの空乏層がゲート領域14に到達するように
すればよい。その時の、逆方向耐圧は、ほぼ式(6)
で与えられる。ND1≒1×1013cm-3、l2≒500μm、
ND2≒2×1015cm-3、l3≒3μm程度にすれば、
2000V程度の逆耐圧が実現される。この時の最大
順方向耐圧は6800V程度になる。逆方向耐圧は、
p+ゲート領域14のパンチングスルーで決まる
場合が多い。
E nax ≒N D1ql2 /ε+N D2ql3 /ε≒E B ……(5) V ar nax =N D1ql2 2 /2ε+N D2ql3 2 /2ε +N D1ql2l3 /ε ……(6) That is, p + (11)n(15 ) The depletion layer from the anode may reach the gate region 14 when the electric field strength at the junction surface becomes approximately equal to the avalanche threshold electric field E B. At that time, the reverse withstand voltage is approximately expressed by formula (6)
is given by N D1 ≒1×10 13 cm -3 , l 2 ≒500μm,
If N D2 ≒2×10 15 cm -3 and l 3 ≒3μm,
Reverse breakdown voltage of approximately 2000V is achieved. The maximum forward breakdown voltage at this time is approximately 6800V. The reverse pressure is
This is often determined by punching through the p + gate region 14.

第4図に示されるように、駆動ゲート領域14
の底面に絶縁層が設けられた構造では順方向阻止
電圧、逆方向耐圧ともに大きくできることにな
る。逆方向電圧印加時にゲートからパンチングス
ルー電流の流れない構造では、領域12を実質的
に真性領域となし、 ND2ql3/ε≒EB/2 ……(7) を満すように設計すれば、最大順方向阻止電圧、
逆方向耐圧ともに、EBl2/2に近い値になる。
As shown in FIG.
In a structure in which an insulating layer is provided on the bottom surface of the device, both forward blocking voltage and reverse breakdown voltage can be increased. In a structure in which no punching-through current flows from the gate when a reverse voltage is applied, if the region 12 is essentially an intrinsic region and the design is made to satisfy N D2ql3 /ε≈E B /2 (7), then Maximum forward blocking voltage,
Both reverse breakdown voltages have values close to E Bl2 /2.

ゲートが接合型で作られるときには、第14図
のように、ゲート領域底面にも比較的不純物密度
の高い薄層領域18を設けるとよい。第14図a
では、領域18をゲート底面部にだけ設けbでは
ゲートをとり囲んで設けてある。ただし、底面部
よりチヤンネルに接する面の方が薄くなされてい
る。
When the gate is made of a junction type, it is preferable to provide a thin layer region 18 with relatively high impurity density also at the bottom of the gate region, as shown in FIG. Figure 14a
In the example, the region 18 is provided only at the bottom of the gate, and in the example shown in b, the region 18 is provided surrounding the gate. However, the surface in contact with the channel is thinner than the bottom surface.

遮断時のスイツチオフ速度を速くするには、領
域12等にキラー効果を持つ物質を適当量添加す
ればよい。SiであればAu等がその代表例である。
しかしキラーの密度があまりに多いと、カソー
ド、アノードから注入されるキヤリアのチヤンネ
ル内での分布が急峻になつて空間電荷抵抗の増大
をきたし、電圧降下を大きくする。電圧降下が所
定の値以下になる範囲で、キラー密度を増せばよ
い。
In order to increase the switch-off speed when shutting off, an appropriate amount of a substance having a killer effect may be added to the region 12 and the like. A typical example of Si is Au.
However, if the density of the killer is too high, the distribution of carriers injected from the cathode and anode within the channel becomes steep, leading to an increase in space charge resistance and an increase in voltage drop. The killer density may be increased within a range where the voltage drop is below a predetermined value.

たとえば、平面ゲート構造で、l2≒400〜500μ
m、l3≒1μm、ND1≒1012cm-3、ND2≒1×1016cm
-3でたとえばカソードストライプ2×100μmを
106チヤンネル程度備えた、デバイスで適量Au添
加したものでは、最大阻止電圧5000V以上、導通
時の電流2000A程度、遮断時のスイツチオフ時間
数μsec、電圧降下2V程度以下の動作が実現され
る。
For example, in a planar gate structure, l 2 ≈400~500μ
m, l 3 ≒1μm, N D1 ≒10 12 cm -3 , N D2 ≒1×10 16 cm
-3 , for example, a cathode stripe of 2 x 100 μm.
10 A device with about 6 channels doped with an appropriate amount of Au can achieve operation with a maximum blocking voltage of 5000 V or more, a current of about 2000 A during conduction, a switch-off time of several microseconds during cutoff, and a voltage drop of about 2 V or less.

l1、l2、l3、ND1、ND2等のデバイス設計諸量は、
要求仕様に応じて決定すればよい。
Device design quantities such as l 1 , l 2 , l 3 , N D1 , and N D2 are as follows:
It may be determined according to the required specifications.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明の静電誘導サイリスタは駆動ゲートが従
来の静電誘導トランジスタに比べて半分に減少す
るから、静電容量が小さくなり、動作速度が速く
なり、同時に駆動ゲートに流れ込むホールの量が
減少して、電流利得が大きくなる。
In the static induction thyristor of the present invention, the drive gate is reduced by half compared to conventional static induction transistors, so the capacitance is smaller and the operating speed is faster, while at the same time the amount of holes flowing into the drive gate is reduced. As a result, the current gain increases.

本発明の静電誘導サイリスタはホール吸い出し
用固定電位ゲート領域を有しているので、特に駆
動ゲートをMOSゲートとした時、従来のMOSゲ
ートサイリスタでは不可能であつたホールのはけ
が良く、高速にターン・オフが出来る。
Since the electrostatic induction thyristor of the present invention has a fixed potential gate region for sucking out holes, especially when the drive gate is a MOS gate, the holes can be drained easily and at high speed, which was impossible with conventional MOS gate thyristors. can be turned off.

本発明の静電誘導サイリスタは、阻止電圧が高
く、導通時の電流が大きく、電圧降下は小さく、
かつスイツチング速度が速い等、特に大電力制
御、スイツチング用としてその工業的価値は極め
て高い。
The electrostatic induction thyristor of the present invention has a high blocking voltage, a large current when conducting, and a small voltage drop.
In addition, the switching speed is high, and its industrial value is extremely high, especially for large power control and switching applications.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図a乃至gはSIサイリスタの従来例を示
し、aはSIサイリスタの断面構造例、bはゲート
間ポテンシヤル分布、c及びdはカソード・アノ
ード間ポテンシヤル分布、e乃至fはゲート・ア
ノード間ポテンシヤル分布、gはゲート・アノー
ド間の電界分布を示す図、第2図a乃至eは本発
明の静電誘導サイリスタの実施例を示しaは平面
図、bはa図中A一A′線に沿う断面図、c及び
dはゲート・アノード間ポテンシヤル分布、eは
ゲート・アノード間の電界分布を示す図、第3図
乃至第11図a,bは本発明の静電誘導サイリス
タの断面構造例、第12図a及びbは本発明のSI
サイリスタの逆方向電圧印加時のポテンシヤル分
布及び電界分布、第13図は本発明のSIサイリス
タの使用例、第14図は本発明のSIサイリスタの
断面構造例である。
Figures 1a to 1g show conventional examples of SI thyristors, where a is an example of the cross-sectional structure of an SI thyristor, b is the potential distribution between gates, c and d are the potential distributions between the cathode and anode, and e to f are the potential distributions between the gate and anode. Potential distribution, g is a diagram showing the electric field distribution between the gate and anode, FIGS. , c and d are potential distributions between the gate and anode, e is a diagram showing the electric field distribution between the gate and anode, and FIGS. 3 to 11 a and b are cross-sectional structures of the electrostatic induction thyristor of the present invention. Example, Figures 12a and b are SI of the present invention.
Potential distribution and electric field distribution when reverse voltage is applied to the thyristor, FIG. 13 shows an example of use of the SI thyristor of the present invention, and FIG. 14 shows an example of the cross-sectional structure of the SI thyristor of the present invention.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 高抵抗半導体基板領域12の一方の主表面に
カソード領域13を備え、かつカソード領域近傍
に、互いに独立した第1の分割ゲート領域14″
と第2の分割ゲート領域14とを備え、第1の分
割ゲート領域を固定電位ゲート領域、第2の分割
ゲート領域を駆動ゲート領域とし、他方の主表面
にアノード領域11を備えかつ前記カソード領域
及びアノード領域は互いに反対導電型高不純物密
度領域により形成され、さらに、前記アノード領
域と前記高抵抗半導体基板領域の間に前記アノー
ド領域とは反対導電型で厚さl3、不純物密度ND2
の薄い層を備え、かつ前記薄い層は前記アノード
領域とほぼ前記高抵抗半導体基板領域全体にわた
りpn接合を形成し、かつ前記第1及び第2の分
割ゲート領域と前記薄い層との間の高抵抗半導体
基板領域の厚さl2、不純物密度をND3とする時、
前記第1及び第2の分割ゲート領域近傍の高抵抗
半導体基板領域の電界強度Eqsがなだれ閾電界EB
以下とすべく、 EqsEB ……(1) Eqs−ND1ql2/ε≒ND2ql3/ε ……(2) ε:高抵抗半導体基板の誘電率 q:単位電荷量 を満足するように前記薄い層の厚さl3及び不純物
密度ND3を設定し、かつこの時の順方向最大阻止
電圧VBa naxがほぼ VBa nax≒(Eqs−ND1ql2/2)l2 +ND2ql3 2/2ε ……(3) で与えられることを特徴とする静電誘導サイリス
タ。 2 前記第1及び第2の分割ゲート領域がともに
前記カソード領域が形成された主表面と同一主表
面からの拡散によつて形成された平面接合ゲート
型であつて、第1の分割ゲート電極はカソード電
極と共通に接続されたことを特徴とする前記特許
請求の範囲第1項記載の静電誘導サイリスタ。 3 前記第1及び第2の分割ゲート領域が、前記
カソード領域近傍の高抵抗半導体基板に埋め込ま
れた埋め込み接合ゲート型で、あることを特徴と
する前記特許請求の範囲第1項記載の静電誘導サ
イリスタ。 4 前記第1及び第2の分割ゲート領域と前記カ
ソード領域が対向する部分に絶縁層が介在したこ
とを特徴とする前記特許請求の範囲第1項又は第
2項記載の静電誘導サイリスタ。 5 前記第2の分割ゲート領域のアノード側に近
い底部直下に絶縁層が設けられたことを特徴とす
る前記特許請求の範囲第2項又は第4項記載の静
電誘導サイリスタ。 6 前記第1の分割ゲート領域の底部以外の側面
部分に絶縁層を介在させたことを特徴とする前記
特許請求の範囲第1項又は第2項又は第4項又は
第5項記載の静電誘導サイリスタ。 7 前記第1及び第2の分割ゲート領域のうち、
第1の分割ゲート領域はカソード領域が形成され
る主表面からの拡散により形成された接合ゲート
で形成され、かつ第1の分割ゲート電極はカソー
ド電極に共通に接続され、一方第2の分割ゲート
領域はカソード領域が形成される主表面から切り
込まれた溝の側壁部分に形成された絶縁ゲート構
造となされ、かつ第1及び第2の分割ゲート領域
とカソード領域が対向する部分に絶縁層が介在
し、かつ第1の分割ゲート領域の底部以外の側面
部分に絶縁層が介在されたことを特徴とする前記
特許請求の範囲第1項記載の静電誘導サイリス
タ。 8 前記高抵抗半導体基板もしくは前記薄い層に
キラー効果をもつ物質を適当量添加したことを特
徴とする前記特許請求の範囲第1項乃至第7項の
いずれか一項に記載の静電誘導サイリスタ。 9 アノード・カソード間に最大逆方向電圧
Var naxを印加し、前記アノード領域と前記薄い
層との間のpn接合面の最大電界強度Enaxがほぼ
なだれ閾電界強度EBに等しくなつた時に、アノ
ード領域側から前記高抵抗半導体基板中に広がる
空乏層が前記接合ゲート領域近傍に到達すべく Enax=ND1ql2/ε+ND2ql3/εEB ……(5) を満足するようにND1及びl2、ND2及びl3の値を選
定し、かつ最大逆方向耐圧Var naxが Var nax≒ND1ql2 2/2ε+ND2ql3 2/2ε +ND1ql2l3/ε ……(6) で与えられることを特徴とする前記特許請求の範
囲第1項乃至第8項のいずれか一項に記載の静電
誘導サイリスタ。
[Scope of Claims] 1. A cathode region 13 is provided on one main surface of the high-resistance semiconductor substrate region 12, and mutually independent first divided gate regions 14'' are provided near the cathode region.
and a second divided gate region 14, the first divided gate region is a fixed potential gate region, the second divided gate region is a driving gate region, an anode region 11 is provided on the other main surface, and the cathode region and an anode region are formed of high impurity density regions of mutually opposite conductivity types, and further, between the anode region and the high resistance semiconductor substrate region, a conductivity type opposite to the anode region, a thickness l 3 and an impurity density N D2.
a thin layer forming a pn junction with the anode region over substantially the entire high resistance semiconductor substrate region, and forming a high resistance between the first and second split gate regions and the thin layer. When the thickness of the resistor semiconductor substrate region is l 2 and the impurity density is N D3 ,
The electric field strength E qs of the high resistance semiconductor substrate region near the first and second divided gate regions is the avalanche threshold electric field E B
To satisfy the following, E qs E B ……(1) E qs −N D1ql2 /ε≒N D2ql3 /ε ……(2) ε: Dielectric constant of high resistance semiconductor substrate q: To satisfy unit charge amount The thickness l 3 and impurity density N D3 of the thin layer are set, and the maximum forward blocking voltage V Ba nax at this time is approximately V Ba nax ≒ (E qs −N D1ql2 /2) l 2 +N D2ql3 2 / An electrostatic induction thyristor characterized by being given by 2ε...(3). 2. Both the first and second divided gate regions are of a planar junction gate type formed by diffusion from the same main surface as the main surface on which the cathode region is formed, and the first divided gate electrode is The electrostatic induction thyristor according to claim 1, wherein the electrostatic induction thyristor is connected in common with a cathode electrode. 3. The electrostatic capacitor according to claim 1, wherein the first and second divided gate regions are of a buried junction gate type embedded in a high-resistance semiconductor substrate near the cathode region. induction thyristor. 4. The electrostatic induction thyristor according to claim 1 or 2, characterized in that an insulating layer is interposed in a portion where the first and second divided gate regions and the cathode region face each other. 5. The electrostatic induction thyristor according to claim 2 or 4, characterized in that an insulating layer is provided directly under the bottom of the second divided gate region near the anode side. 6. The electrostatic capacitor according to claim 1, 2, 4, or 5, characterized in that an insulating layer is interposed on a side surface of the first divided gate region other than the bottom. induction thyristor. 7 Among the first and second divided gate regions,
The first divided gate region is formed by a junction gate formed by diffusion from the main surface where the cathode region is formed, and the first divided gate electrode is commonly connected to the cathode electrode, while the second divided gate The region has an insulated gate structure formed on the side wall portion of a groove cut from the main surface where the cathode region is formed, and an insulating layer is formed in the portion where the first and second divided gate regions and the cathode region face each other. 2. The electrostatic induction thyristor according to claim 1, further comprising an insulating layer interposed on the side surface portions other than the bottom of the first divided gate region. 8. The electrostatic induction thyristor according to any one of claims 1 to 7, wherein an appropriate amount of a substance having a killer effect is added to the high-resistance semiconductor substrate or the thin layer. . 9 Maximum reverse voltage between anode and cathode
V ar nax is applied, and when the maximum electric field strength E nax at the pn junction interface between the anode region and the thin layer becomes approximately equal to the avalanche threshold electric field strength E B , the high-resistance semiconductor substrate is removed from the anode region side. In order for the depletion layer spreading inside to reach the vicinity of the junction gate region, the values of N D1 and l 2 and N D2 and l 3 are set so that E nax =N D1ql2 /ε+N D2ql3 /εE B ...(5) is satisfied. Claim 1, wherein the maximum reverse withstand voltage V ar nax is given by V ar nax ≈N D1ql2 2 /2ε + N D2ql3 2 /2ε + N D1ql2l3 /ε (6) The electrostatic induction thyristor according to any one of items 8 to 8.
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